Лабораторные работы по физической химии. Часть 2 (стр. 7 )

Титрованные растворы:  иодный раствор 01 Н.

Краткие теоретические сведения

Электролитическое содержание олова из станнатных растворов применяется в гальванотехнике при лужении и в электрометаллургии при снятии олова с жестяных обрезков. На аноде в щелочном растворе олово растворяется с образование ионов Sn2+  и станнита по следующей реакции:

Sn+ 3OH - - 2е = HSnO2- + H2O

Потенциалы равновесия Sn/Sn2+  и Sn/Sn4+ для приблизительно равных концентраций станнита и станната в щелочном растворе находятся очень близко друг к другу. Поэтому достаточно уже малейшего повышения анодного потенциала, чтобы вследствие образования пленки анодного шлама начался процесс образования станната:

Sn2+ + 6OH - - 2е = SnO32- + 3H2O

В процессе рафинирования в зависимости от плотности тока олово переходит в раствор сначала в двухвалентной  форме при низком напряжении на ванне, приблизительно от 0,5 до 1,66 В, и потенциале анода  Еа от -0,84 до -0,74 В, при этом поверхностная пленка анода имеет черный цвет.

Повышение температуры благоприятно сказывается как на внешнем виде осадков, так и на выходах по току. Подходящей температурой электролита при Dк = ,5-2,0 А/дм2 является 70-75о С.

При работе с оловянными анодами во избежание увеличения концентрации рекомендуется периодически добавлять в электролит энергичные  окислители: перекись водорода или натрия. Можно использовать также анодное окисление на нерастворимых анодах. Последним способом раствор можно регенерировать непрерывно или периодически в той же самой или специальной ванне.

На правильное соотношение анодного и катодного выходов по току большое влияние оказывает соотношение применяющих анодной и катодной плотностей тока,  которое  должно быть равно 1 : 1 или 2 : 1.

Экспериментальная часть:        

Работа состоит из двух частей:

приготовление электролита, электролиз

Способ приготовления электролита

Отмеряют 1000 мл 1,5 Н. раствора едкого натрата и нагревают его до кипения в колбе Эрленмейера. В кипящий раствор прибавляют небольшими порциями, по мере растворения, 66 г хлористого олова. После растворения хлористого олова раствор охлаждают и затем фильтруют через вату. В отфильтрованный электролит для окисления двухвалентных ионов олова в четырехвалентные ионы добавляют по расчету перекись водорода (30%). Полноту окисления проверяют иодометрическим методом. Для этого к 25 мл соляной кислоты (1 : 5) приливают 5 мл электролита и немного (ок. 5 мл) крахмала. Если посинение наступает более чем от одной капли прилитого 0,1 Н раствора йода, то это указывает на присутствии станнитной соли. Тогда к раствору добавляют перекись водорода и вторично проверяют полноту окисления. 1 мл 0,1 Н  иодного раствора соответствует 0,00594 г Sn2+. После этого электролит заливают в ванну для электролиза.

Электролиз

В качестве электролизера в данном случае применяют аккумуляторный стеклянный сосуд емкостью 1000 мл. Для подогрева электролита этот сосуд устанавливают в водяную электрическую баню. Катодом служит пластинка из луженой жести размерами 5Ч15 см, а анодом - пластинка олова таких же размеров и толщиной в 0,5 см. Анод и катод имеют плечики, посредством которых их навешивают на борта ванны. Для электролиза собирается обычная схема с амперметром, вольтметром, реостатом и медным кулонометром. Перед началом электролиза и после него анод и катод, а также катод кулонометра взвешивают для определения анодного и катодного выходов по току.

Когда температура электролита достигнет 70-75˚, включают ток и анод медленно погружают в электролит под током. При правильном постепенном погружении под током анод  покрывается тончайшей пленкой окиси олова, имеющей желтоватый цвет. Благодаря этой пленке окиси, оловянный анод растворяется в форме четырехвалентных ионов, что обеспечивает получение плотных осадков на катоде. Появление на катоде губчатого осадка олова указывает на присутствии в электролите двухвалентных  ионов олова. В этом случае необходимо электролит окислить и начать работу сначала.

В продолжение всего опыта поддерживают силу тока Dk = Da = 2 А/дм2 и температуру электролита (70-75˚) постоянными, пополняют испарившуюся воду в электролизе и в бане и  записывают через каждые 20 минут показания вольтметра. Через каждые 20 мин производят анализ на присутствие  Sn2+. Через 5 часов электролиз прекращают. Электроды промывают, сушат и взвешивают на технических весах. Электролит анализируют на присутствии в нем Sn2+ вышеуказанным методом. Экспериментальные данные методы записываются в таблицу следующей формы:

Время измерения от начала опыта часы	Сила тока,  а	Dk и  Da а/дм2	Напряжение на ванне, в	Температура электролита, ˚Ц	Вес кулометра, г	Вес катода, г	Вес анода, г
До опыта	После опыта	До опыта	После опыта	До опыта	После опыта

Требования, предъявляемые к отчету.

Отчет по работе должен содержать: краткие сведения по теории процессов электролиза станнатных растворов олова; схему установки и краткое описание проделанной работы; экспериментальные данные в виде вышеприведенной таблицы; расчет анодного и катодного выходов по току; характеристику осадка олова; расчет расхода энергии в кВт-ч  на 1 кг олова; выводы.

Контрольные вопросы:

Механизм образования катодного слоя металла при осаждении олова из станнатных электролитов. Электролитическое восстановление водных растворов. Зависимость процесса электролитического восстановления от величины катодного потенциала, материала катода и его поверхности. Зависимость процесса электролитического восстановления металлов из водных растворов от температуры, плотности тока, природы электролита (рН). Электролитическое окисление водных растворов. Зависимость процесса электролитического окисления от материала анода, плотности тока, температуры. Электролиз водных растворов хлоридов щелочных металлов. Электролиз расплавленных солей. Расчет стационарного тока при электролизе. Расчет концентрации реагента при электролизе.

ТЕМА 2. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ

Лабораторная работа № 13

Гомогенно-каталитическое окисление иодида калия персульфатом аммония

Цель работы:

Изучить зависимости скорости гомогенной реакции окисления йодид-иона от наличия, природы и концентрации катализатора. Научится проводить кинетические расчеты и строить графики зависимости по экспериментальным данным

Оборудование, материалы: лед, термометр, 4 конических колбы на 200 - 250 мл и одна - на 500 мл. Бюретка для титрования, колбы для титрования, свежеприготовленный раствор крахмала, пипетки на 10, 25 и 50 мл или небольшой мерный цилиндр. Растворы: 0,1М (NH4)2S2О8; 0,02M KI; 0,5M H2SО4; 0,0025M Na2S2О3 и 0,025M CuSО4.

Краткие теоретические сведения:

Катализ - это увеличение скорости химической реакции в присутствии веществ (катализаторов), которые не входят в стехиометрическое уравнение и после реакции химически не изменяются. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В первом случае реагирующие вещества и катализатор образуют одну фазу, а во втором - реакция происходит на границе раздела фаз.

Используемые катализаторы имеют общие свойства:

Не влияют на величину константы равновесия, а лишь ускоряют процесс достижения равновесия; Обладают избирательным действием, т. е. увеличивают скорость только некоторых реакций; Небольшие количества катализатора могут в значительной степени увеличивать скорость, поскольку снижают величину энергии активации реакции Еа, входящую в показатель степени в уравнении для const скорости: k = koexp(-Ea/RT).

В кислом водном растворе процесс

2KI + (NH4)2S2О8  − Н3О+→ I2 +(NH4)2SО4 + K2SО4                        (1)

2I - + S2О82- − Н3О+ →  I2 + 2SO42-,                                        (2)

являющийся примером ионных окислительно-восстановительных реакций, протекает медленно и практически необратимо. Однако его можно заметно ускорить введением в реагирующую смесь ионов Zn2+, Сu2+, Fe2+ или Cd2+, выступающих в качестве катализаторов реакции. Об изменении скорости реакции (1) удобно судить по количеству выделившегося в единицу времени иода, оттитровывая его раствором тиосульфата натрия:

I2 + 2Na2S2О3→ 2NaI + Na2S4О6                                        (3)

в присутствии индикатора (крахмала). Завершение реакции (3) устанавливается по исчезновению изначально синей окраски йодсодержащего раствора, вызванной взаимодействием йода с крахмалом. Возникающее вновь спустя какое-то время слабое синее окрашивание пробы во внимание не принимают.

Экспериментальная часть:

Колбу на 500 мл заливают Н2О (дист.) и ставят на лед для охлаждения. Бюретку заполняют раствором тиосульфата натрия. Колбы на 250 мл заполняют, как показано в табл. 1. Измеряют температуру смесей. Опыт начинают лишь после выравнивания температуры во всех колбах. При наличии термостата или водяной бани эксперимент удобнее вести при более высокой, чем комнатная, температуре, например 30-35 °С. В первую колбу вводят 20 мл раствора KI (0,02M), встряхивают колбу и начинают отсчет времени. Спустя 5 минут после начала опыта отбирают пипеткой 10 мл реакционной смеси, вливают ее в колбу для титрования, куда предварительно добавлено
20 мл охлажденной дистиллированной воды (для остановки реакции (1)) и несколько капель раствора крахмала. Вливая из бюретки по каплям раствор Na2S2O3, титруют пробу до исчезновения синей окраски. Молярную концентрацию иода определяют по формуле:

С(I2)  = C(Na2S2O3) Ч Vx/10  (4)

где Vx - объем (в мл) раствора тиосульфата натрия, затраченного на титрование. Результаты заносят в табл. 2.